Tip Region Enhancement of a Pumpjet Propulsor with Circumferential Casing Grooves For Cavitation Reduction
Pumpjet İtki Sistemlerinde Kavitasyon Azaltımı Amacıyla Çevresel Yiv Kullanılarak Uç Bölgesinin İyileştirilmesi
- Tez No: 1014185
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sualtı taşıtlarında kullanılan tahrik sistemleri, seyrin sağlanması ve görevlerin güvenli ve etkin biçimde yerine getirilmesi açısından temel bileşenler arasında yer almaktadır. Bu sistemlerin ürettiği itki, gemi veya sualtı aracının hızını ve manevra kabiliyetini belirlerken, aynı zamanda oluşan basınç dalgalanmaları ve kavitasyon yapıları aracın akustik izini ve yapısal yüklerini doğrudan etkilemektedir. Özellikle askeri uygulamalarda, tahrik sistemlerinin sadece yüksek verimle çalışması değil, aynı zamanda düşük gürültü seviyeleri ve kontrol altında tutulmuş kavitasyon karakteristiği ile görev icra etmesi kritik bir tasarım hedefi hâline gelmiştir. Bu çerçevede, açık pervanelerden gövdeyle çevrili pervane ve pumpjet konfigürasyonlarına kadar uzanan geniş bir tasarım alanında, farklı hidrodinamik çözümler geliştirilmiş ve literatürde kapsamlı biçimde incelenmiştir. Pumpjet tahrik sistemleri, rotor ve stator kademelerinin bir gövde içinde birleştirildiği, akışın kontrollü biçimde yönlendirilip enerjisinin dönüştürüldüğü gelişmiş bir tahrik çözümü olarak değerlendirilmektedir. Gövde yapısı sayesinde, rotor çevresinde basınç seviyesi belirli sınırlar içinde tutulmakta ve bu sayede klasik açık pervanelere kıyasla kavitasyon başlangıcı geciktirilebilmektedir. Bununla birlikte, pumpjet tasarımında en kritik bölgelerden biri, rotor kanadı ile gövde iç yüzeyi arasındaki uç açıklığının bulunduğu uç bölgesidir. Bu bölgede, kanadın basınç ve emme yüzeyleri arasındaki farktan dolayı uç kaçak akımı oluşmakta ve bu akım, gövde duvarı boyunca ilerleyen yoğun bir uç kaçak girdabına dönüşmektedir. Uç kaçak girdabının düşük basınçlı çekirdeği, kavitasyonun ilk başladığı ve gelişerek hacimsel bir yapıya dönüştüğü temel bölgelerden biri olup, hem performans hem de gürültü açısından önemli olumsuzluklara neden olmaktadır. Bu yüksek lisans tezinin temel amacı, pumpjet gövdesinin rotor uç bölgesine karşılık gelen iç yüzeyine yerleştirilen pasif çevresel kanalların, uç kaçak girdabı yapısı ve buna bağlı kavitasyon davranışı üzerindeki etkilerini incelemek ve bu sayede uç bölgesindeki kavitasyonu hafifletmeye yönelik uygulanabilir bir tasarım yaklaşımı ortaya koymaktır. Çalışmada ele alınan çözüm, aktif bir kontrol mekanizması gerektirmeyen, sadece gövde geometrisinin yerel olarak değiştirilmesine dayanan pasif bir yöntemdir. Böylece, karmaşık mekanik düzeneklere, harici enerji girişine veya bakım gereksinimi yüksek sistemlere ihtiyaç duymadan, gövde üzerinde yapılacak makul geometrik iyileştirmelerle kavitasyon seviyesinin azaltılması ve akustik performansın iyileştirilmesi hedeflenmektedir. Bu açıdan bakıldığında, tezde önerilen yaklaşım, hem tasarım hem de işletme maliyeti açısından pratik bir çözüm sunma potansiyeline sahiptir. Çalışma kapsamında, kanat ucu ile gövde duvarı arasında tanımlı bir uç açıklığına sahip, rotor–stator kademelerinden oluşan temsili bir pumpjet konfigürasyonu tasarlanmış ve sayısal analizlerde temel (düz gövdeli) referans durum olarak kullanılmıştır. Bu temel konfigürasyon üzerinde, gövde iç yüzeyine açılan çevresel kanalların derinlik ve genişlik gibi geometrik parametreleri tanımlanmış; ayrıca kanalların rotor ekseni boyunca ön kenar, orta kord bölgesi ve arka kenar civarına karşılık gelen farklı eksenel konumlarda yer aldığı birkaç düzen belirlenmiştir. Bu sayede, sadece kanalların varlığının değil, aynı zamanda konum ve boyutlarının da uç kaçak akışı, girdap yapısı ve kavitasyon başlama koşulları üzerindeki etkileri karşılaştırılabilir hâle getirilmiştir. Tezin kapsamı, bu farklı kanal konfigürasyonlarının incelenmesini, en başarılı geometrinin belirlenmesini ve bu konfigürasyon için kavitasyon davranışının ayrıntılı olarak değerlendirilmesini içermektedir. Çalışmada kullanılan yöntem, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) tabanlı sayısal analizlere dayanmaktadır. Akış, Reynolds ortalamalı Navier–Stokes denklemleriyle modellenmiş, böylece ortalama akış alanı ve türbülans etkileri mühendislik hassasiyetinde temsil edilmiştir. Tüm çözümler, döner makinalar ve kavitasyonlu akışlar için yaygın olarak kullanılan ANSYS CFX yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Uç açıklığı ve kanal bölgelerinde, kaçak jeti ve yeniden dolaşım yapılarının yeterli düzeyde çözülebilmesi için yerel ağ sıklaştırması içeren yüksek kaliteli yapısal hesaplama ağları oluşturulmuştur. Ağ yapısının çözüm sonuçları üzerindeki etkisini değerlendirmek üzere ağ bağımsızlık çalışmaları yapılmış, böylece kullanılan ağ düzeyinin sonuç kalitesi açısından yeterli olduğu doğrulanmıştır. Türbülansın modellenmesinde, ters basınç gradyanlarının ve ayrılma eğilimli akışların hâkim olduğu rotor uç bölgesi için uygun performans gösteren SST $k$-$\omega$ modeli tercih edilmiştir. Kavitasyon davranışı ise homojen çok fazlı bir yaklaşım çerçevesinde temsil edilmiş; bu sayede, rotor uç bölgesinde buhar hacim kesri dağılımı ve kavitasyon bölgeleri sayısal olarak tahmin edilmiştir. Sayısal çalışmalar, pumpjet iticinin tasarım çalışma noktasını temsil eden sabit bir işletme koşulunda, durağan (zamandan bağımsız) çözümler üzerinden yürütülmüştür. Bu tercih, hem farklı kanal konfigürasyonlarının birbiriyle karşılaştırılmasını kolaylaştırmış hem de hesaplama maliyetini kontrol altında tutmuştur. Rotor–stator etkileşimi, karışım düzlemi (mixing-plane) yaklaşımı ile modellenmiş; rotor ile çevresel kanalların bulunduğu gövde kesimi arasındaki etkileşim ise sabit rotor (frozen rotor) yaklaşımıyla temsil edilmiştir. Böylece, rotor ve stator kademeleri ile gövde üzerindeki kanallar arasında ortalama akış alanı düzeyinde tutarlı bir etkileşim modeli kurulmuştur. Çalışma iki aşamalı olarak kurgulanmıştır. İlk aşamada, tüm çevresel kanal konfigürasyonları ve düz gövdeli temel durum için kavitasyonsuz çözümler gerçekleştirilmiş; bu sayede kanalların, kavitasyon devreye girmeden önce uç kaçak jeti, uç kaçak girdabı ve gövde duvarı yakınındaki basınç dağılımı üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Bu aşamada, basınç alanı, girdap çekirdek yapısı ve girdap yörüngesi gibi lokal akış özellikleri incelenmiş; ayrıca itki ve moment katsayıları gibi bütünsel performans büyüklükleri hesaplanmıştır. Böylece, her bir kanal konfigürasyonunun hem performans hem de uç bölgesi akış yapısı üzerindeki etkisi bütüncül olarak değerlendirilmiş ve kavitasyon analizi için en uygun konfigürasyon seçilmiştir. İkinci aşamada, yalnızca düz gövdeli temel durum ile ilk aşamada en başarılı bulunan nihai kanal konfigürasyonu için kavitasyonlu çözümler gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada, uç bölgesinde kavitasyon başlangıcı, minimum basınç değerlerindeki değişim, buhar hacim kesri dağılımı ve kavitasyon hacminin uzaysal yayılımı detaylı olarak incelenmiştir. Uç kaçak girdabının çekirdek basıncındaki değişim, kavitasyonun başladığı ve yoğunlaştığı bölgeler ile ilişkilendirilmiş; böylece çevresel kanalların, kavitasyon hacminin büyüklüğü ve konumu üzerindeki etkisi ortaya konmuştur. Düz gövdeli ve kanallı durumlar arasındaki karşılaştırma, uç kaçak girdap kavitasyonunun hem başlangıç hem de gelişim evreleri açısından değerlendirilmiş ve kanal uygulamasının sağladığı iyileştirme nicel olarak gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, uygun boyutlandırılmış ve doğru eksenel konumda yerleştirilmiş çevresel kanalların, gövde duvarı yakınında yerel yeniden dolaşım hacimleri oluşturarak uç kaçak girdabını belirgin biçimde zayıflattığını ve girdap yörüngesini değiştirdiğini göstermektedir. Kanallar, uç açıklığından sızan akışın bir kısmını geçici olarak depolayıp farklı yönlerde yeniden ana akıma vererek, girdap çekirdeğindeki hız gradyanlarını azaltmakta ve çekirdek basıncını yükseltmektedir. Bu etki, kavitasyonsuz çözümlerde minimum basınç değerlerinin yükselmesi ve düşük basınç bölgelerinin daralması; kavitasyonlu çözümlerde ise kavitasyonun daha geç başlaması ve daha sınırlı bir hacimde kalması şeklinde kendini göstermektedir. Özellikle seçilen nihai kanal konfigürasyonu için, uç bölgesindeki kavitasyon hacminin düz gövdeli duruma kıyasla daha kompakt ve gövdeden nispeten uzak bir bölgede yoğunlaştığı görülmüştür. Diğer yandan, çevresel kanalların itki ve moment katsayıları üzerinde oluşturduğu değişimin sınırlı düzeyde kaldığı belirlenmiştir. Bu sonuç, uygun tasarlanmış bir kanal geometrisi ile kavitasyon kontrolünün önemli bir verim kaybı olmadan gerçekleştirilebileceğine işaret etmektedir. Kanalların aşırı derin veya geniş seçilmesi durumunda olası performans kayıpları da değerlendirilmiş; böylece, kavitasyon azaltımı ile hidrodinamik verim arasındaki dengeyi gözeten bir tasarım bakış açısı geliştirilmiştir. Bu bakımdan, tezde elde edilen bulgular, sadece incelenen pumpjet konfigürasyonu için değil, benzer gövdeyle çevrili pervane sistemlerinde uygulanabilecek genel tasarım ilkeleri açısından da yol gösterici niteliktedir. Genel olarak bu tez, pumpjet gövdesinin iç yüzeyine uygulanan pasif çevresel kanalların, rotor uç bölgesinde oluşan uç kaçak girdap kavitasyonunun kontrolü için yapısal açıdan basit, uygulaması kolay ve etkili bir yöntem sunduğunu ortaya koymaktadır. Çalışma, pumpjet iticilerde uç bölgesi akış fiziğine ilişkin ayrıntılı bir bakış sunmakta; uç kaçak girdabı, gövde duvarı ile etkileşim ve kavitasyon davranışı arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturmaktadır. Ayrıca, kanal geometrisi, konumu ve sayısına dair elde edilen bulgular, benzer pumpjet konfigürasyonları ve diğer gövdeyle çevrili pervane sistemleri için ön tasarım önerileri sağlamaktadır. Elde edilen sonuçların, kavitasyon seviyeleri azaltılmış, akustik açıdan daha sessiz ve yapısal güvenilirliği yüksek yeni nesil sualtı tahrik sistemlerinin geliştirilmesine katkı sunacağı değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
This master thesis investigates how passive circumferential grooves, integrated into the internal duct surface around the rotor tip, can minimize tip leakage vortex cavitation within pumpjet propulsors. Pumpjet propulsors are increasingly preferred in naval and underwater applications due to their favorable efficiency, cavitation, and acoustic characteristics; however, the rotor tip region remains a critical source of performance loss, noise, and structural risk because of vortex-driven cavitation. Early cavitation onset is primarily driven by the low-pressure center of the tip leakage vortex. The subsequent decline in hydrodynamic thrust and the amplified acoustic signature present severe operational limitations for stealth-dependent vessels, notably submarines and unmanned underwater vehicles. This research aims to evaluate the effectiveness of implementing circumferential grooves in the vicinity of the rotor tips to suppress the tip leakage vortex. The ultimate goal is to elevate core pressure and diminish cavitation severity, ensuring that these structural modifications do not severely compromise overall efficiency or thrust output. For this purpose, a representative rotor–stator pumpjet configuration with a defined tip clearance and duct geometry is designed and used as the baseline case. To systematically evaluate how groove placement influences tip flow dynamics and cavitation characteristics, multiple axial configurations were analyzed. These modified designs situated at the leading edge, mid chord, and trailing edge are compared directly against an unmodified, smooth baseline casing. In addition to their influence on cavitation, these configurations allow an assessment of how local geometric modifications on the duct wall can be integrated into practical pumpjet designs without introducing excessive mechanical complexity or compromising the robustness of the propulsion system. Numerical simulations throughout this research rely on Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. Specifically, the Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations are resolved utilizing the ANSYS CFX commercial solver. A highly structured computational grid was constructed to properly capture leakage flow alongside complex recirculation patterns. To achieve this, mesh density is heavily concentrated specifically within the tip gap and the associated grooved sections. Flow separation and adverse pressure gradients naturally dominate the hydrodynamics near the blade tips. The SST $k$-$\omega$ turbulence model was specifically adopted to address these phenomena, given its proven reliability under such demanding conditions. Cavitation is modeled with a homogeneous multiphase approach, which enables prediction of vapor volume fraction and identification of cavitating zones. Steady-state simulations at a design operating point are performed; rotor–stator interaction is represented with a mixing-plane approach, and rotor–groove interaction is modeled using a frozen-rotor interface. This numerical framework provides a balanced compromise between capturing the essential flow physics in the rotor tip region and maintaining a computational cost suitable for parametric design studies. The analysis is carried out in two stages. First, non-cavitating simulations for all groove configurations and the smooth baseline are used to evaluate their influence on tip leakage vortex structure and overall hydrodynamic performance through pressure distributions, vortex topology, and thrust and torque coefficients. Based on these results, the most promising groove configuration is selected. At second stage, cavitating CFD analyses are executed only for baseline and selected grooved case to investigate cavitation inception in the rotor tip region, changes in minimum vortex core pressure, and the spatial extent of vapor structures. The results indicate that appropriately positioned circumferential grooves significantly weaken the tip leakage vortex and modify its trajectory by providing local recirculation volumes that redistribute the leakage flow and reduce vortex concentration near the duct wall. Relative to the unmodified smooth reference, the applied groove geometry elevates the lowest pressure within the vortex center and mitigates cavitation, while keeping thrust and torque parameters essentially unchanged from the baseline. Ultimately, the findings demonstrate that applying passive circumferential grooves along the interior wall of the duct is a mechanically straightforward approach to mitigating tip leakage vortex cavitation. Furthermore, this research establishes actionable criteria for engineering acoustically quieter, low cavitation underwater propulsion systems.
Benzer Tezler
- Bell paralizili hastalarda kulak MR'da kontrast tutulum değerlerinin incelenmesi
Evaluation of contrast enchancment values in the temporal MRI for patients with bell's palsy
EGEMEN CENGİZ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2022
Kulak Burun ve BoğazOndokuz Mayıs ÜniversitesiKulak Burun Boğaz ve Baş-Boyun Cerrahisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN ATMACA
- Effect of tip flow on vortex induced vibration of circular cylinders
Dairesel silindirlerin girdap kaynaklı titreşimlerine uç akımının etkileri
AYTEKİN DURANAY
Doktora
İngilizce
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Sağlıklı ve patolojik miyokardın ayrımında T1 haritalama
T1 mapping in differentiation of healty myocardium from pathological myocardium
SENA BOZER ULUDAĞ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Radyoloji ve Nükleer TıpAnkara ÜniversitesiRadyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELİF PEKER
- Meme lezyonlarının kontrastlı mamografi ile kantitatif analizi ve histopatolojik sonuçlar ile karşılaştırılması
Quantitative analysis of breast lesions on contrast-enhanced mammography and comparison with histopathological results
HÜSEYİN BÜLÜÇ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2022
Radyoloji ve Nükleer TıpHacettepe ÜniversitesiRadyoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GAMZE DURHAN